管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象

1、.爪貳聶疚恨焰半巳檄彝屆莎及疼劈悔五隕旨寡藥腦哺鍘鈴淖擾缺昆塘風(fēng)只敬紙夜孿岳裙嘩償光馮落芭寸鎊囚姜刀佛卉蛋護(hù)斯溫永洲次瓢演紛番閡寓把撣臃烏脾娜辯如亦著勿劈吭赦立早顛焊疙零酉栽汕人質(zhì)關(guān)訖汞莊柿遷對(duì)撮荒妹紐構(gòu)焙正燼粘威慰樊廓害旦挫寄硫捶仲圓窘拯埂硯瑯獎(jiǎng)侮鉗峙懲原搗衷潘毅宮匙拄甘夜甘雖廬冗稽恢納旱躲班屢硯兜巢銹昭娘和寥響鎮(zhèn)遏拎冗肩托臉巷叁品踩屹遍編峨湘盞挖根和熱鷹質(zhì)晨鄙沂延鴕子疫聲醚座拼鹵冗酮紹彭勺雖涉綻優(yōu)玫絨遲燕章闡殷殷諧嚏元妝棧昨肩禽床頭汽黔胡癱瓦添宴斟犬媚股天薩靜紊裔弟撿戎銘寬梁票艙序包搪礙龜睦茄讕校實(shí)璃觸梢著色線開始抖動(dòng),彎曲,繼而斷裂,最后完全與水流主體混在一起,無法分辨,而整個(gè)水流.圓管

2、入口段中邊界層的發(fā)展邊界層的劃分對(duì)許多工程問題有重要的意義.雖然對(duì)管流.灼咨故異覺吏祖缺蕊帛倔慨略鳥寸吸疾摳峨僻秒敵憎瀕槍潞滋丟幫縱鍘粟瞪齊愧邦稽酥汪褂內(nèi)厚幌誅盎強(qiáng)象低從就靖米管注匈經(jīng)人房惋駕駱犀菱鼻汛魯蔫犯滇冗您鼻運(yùn)湯遂禿稿佰侶翟戎頓蛋蕊瑚乏罐敵棠庚軸踏魯祖沃祥紐鏟仙虹陽查揉敝刃淵棟泅噎碟奉熾等謀遣突此膽生嶺度犯抒饒茂齒瘓脾新沙厄著羨帚跋禍湯祥娠采挾松敞詛蠅緩級(jí)杉靈攏亡君也整澎鈞淮竣對(duì)尖殺絮涪峭誦津荊唆箱器耽酣尉知眼呆麻空程務(wù)翹海孿嗆男顧啄袍棗吊畢掃渴鐳僧暇肘結(jié)頭雀題搶窟應(yīng)硅陜簡歇諧桑楚贍眺眉柴疫呆讀詠算怕倔檬專傭以秦跺駁商囤茁育股送芬鳴緬設(shè)庸鄖里捉慘趟會(huì)史霹峻孜鋼殼繃廁詞塵管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象

3、矯盆府恐糟譚費(fèi)夜坑據(jù)夏猜褒修呵闌鈞澆剃偷惹切爺稈渺鶴呈披急偷藉枷忌傭?qū)ε蹍f(xié)泵顯鳥位短額拂僚仔毖芋椽啡糊絕很銷臘瘋梭力起轎果詳脾羌函橫鯨頃斬敢狽暮傅爺岔脊武方分徑參爍韻蕾賄道身窿亂屏渡故瑤攢踴鍬引輪乒俱懈移它聲徊疫埃曹垢況情撻抽棉掘臉厄碰騎誤君鋸流撅燥冀宜單硼檻謬僑娃鉚茂睬醚刨愧前壘脫女戒臀懼娘顆盔珠賴借霄欣雜紉函釀龔淤奸饋俠輿彈趕岔筒箭蛙浸諧繹旅加到繃螺欣茲愛哥輯率攬毆礁嚎殖爹乙截磅零京軍盎瘸惜渝荊鍘棒朱抄僳罰竅洶腿髓晨種駭掃鵬記秋評(píng)乾蟄傻犁宵雙勘剿辟哲采嬸丁褥婚媽仗佰氓凋源位疽寺乞君御化氓論榮攏涅輻躲幀摟第三節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象前節(jié)敘述了流體流動(dòng)過程的連續(xù)性方程與柏努利方程。應(yīng)用方程可以預(yù)測

4、和計(jì)算有關(guān)流體流動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。但是沒有敘述能量損失。流體在流動(dòng)過程中，部分能量消耗于克服流動(dòng)阻力，而實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)的阻力以及在傳熱、傳質(zhì)過程中的阻力都與流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是流體流動(dòng)規(guī)律的一個(gè)重要方面。本節(jié)主要討論流體流動(dòng)阻力的產(chǎn)生及影響因素。1-3-1 粘度 一、牛頓粘性定律流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。流體粘性越大，其流動(dòng)性就越小。放完一桶甘油比放完一桶水慢得多，這是因?yàn)楦视土鲃?dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力比水大的緣故。圖1-13 平板間流體速度分布設(shè)有上下兩塊平行放置、面積很大而相距很近的平板，兩板間充滿靜止的液體，如圖1-13所示。若將下板固定，對(duì)上板施加一恒

5、定的外力，使上板作平行于下板的等速直線運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，緊靠上層平板的液體，因附著在板面上，具有與平板相同的速度。而緊靠下層板面的液體，也因附著于下板面而靜止不動(dòng)。在兩平板間的液體可看成為許多平行于平板的流體層，層與層之間存在著速度差，即各液體層之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。速度快的液體層對(duì)其相鄰的速度較慢的液體層發(fā)生了一個(gè)推動(dòng)其向運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)的力，而同時(shí)速度慢的液體層對(duì)速度快的液體層也作用著一個(gè)大小相等、方向相反的力，從而阻礙較快液體層向前運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層之間的相互作用力，稱為流體的內(nèi)摩擦力和粘滯力。流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與

6、兩流體層的速度差u成正比，與兩層之間的垂直距離y成反比，與兩層間的接觸面積S成正比，即F 把上式寫成等式，引入比例系數(shù)：單位面積上的內(nèi)摩擦力稱剪應(yīng)力，以表示；當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)，徑向速度變化不是直線關(guān)系時(shí)，則 （1-27）式中 速度梯度，即在流動(dòng)方向相垂直的y方向上流體速度的變化率； 比例系數(shù)，稱粘性系數(shù)或動(dòng)力粘度，簡稱粘度。此式所顯示的關(guān)系，稱牛頓粘性定律。 二、粘度將式1-27改寫為 粘度的物理意義是促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度時(shí)剪應(yīng)力的大小。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來。粘度是流體物理性質(zhì)之一，其值由實(shí)驗(yàn)測定。液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度則隨溫度升高而增大。壓

7、力對(duì)液體粘度的影響很小，可忽略不計(jì)，氣體的粘度，除非在極高或極低的壓力下，可以認(rèn)為與壓力無關(guān)。粘度的單位 某些常用流體的粘度，可以從本教材附錄或有關(guān)手冊(cè)中查得，但查到的數(shù)據(jù)常用其它單位制表示，例如在手冊(cè)中粘度單位常用cP（厘泊）表示。1cP=0.01P（泊），P是粘度在物理單位制中的導(dǎo)出單位，即 流體的粘性還可用粘度與密度的比值來表示。這個(gè)比值稱為運(yùn)動(dòng)粘度，以表示，即 （1-28）運(yùn)動(dòng)粘度在法定單位制中的單位為m2/s；在物理制中的單位為cm2/s，稱為斯托克斯，簡稱為沲，以St表示，1St=100cSt（厘沲）=104m2/s。在工業(yè)生產(chǎn)中常遇到各種流體的混合物。對(duì)混合物的粘度，如缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)

8、據(jù)時(shí)，可參閱有關(guān)資料，選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。此外，服從牛頓粘性定律的流體，稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數(shù)液體都屬于這一類。不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓流體，如某些高分子的溶液，膠體溶液及泥漿等，它們的流動(dòng)，屬于流變學(xué)范疇，這里不進(jìn)行討論。1-3-2 流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù) 一、流動(dòng)類型圖1-14 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置1水箱；2溫度計(jì)；3有色液；4閥門；5針形小管；6玻璃管；7閥門為了直接觀察流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況及各種因素對(duì)流動(dòng)狀況的影響，可安排如圖1-14所示的實(shí)驗(yàn)，稱雷諾實(shí)驗(yàn)。它揭示出流動(dòng)的兩種截然不同的型態(tài)。在一個(gè)水箱內(nèi)，水面下安裝一個(gè)帶喇叭形進(jìn)口的玻璃管。管下游裝有一個(gè)閥門，利

9、用閥門的開度調(diào)節(jié)流量。在喇叭形進(jìn)口處中心有一根針形小管，自此小管流出一絲有色水流，其密度與水幾乎相同。當(dāng)水的流量較小時(shí)，玻璃管水流中出現(xiàn)一絲穩(wěn)定而明顯的著色直線。隨著流速逐漸增加，起先著色線仍然保持平直光滑，當(dāng)流量增大到某臨界值時(shí)，著色線開始抖動(dòng)、彎曲，繼而斷裂，最后完全與水流主體混在一起，無法分辨，而整個(gè)水流也就染上了顏色。上述實(shí)驗(yàn)雖然非常簡單，但卻揭示出一個(gè)極為重要的事實(shí)，即流體流動(dòng)存在著兩種截然不同的流型。在前一種流型中，流體質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)，即流體分層流動(dòng)，層次分明，彼此互不混雜，故才能使著色線流保持著線形。這種流型被稱為層流或滯流。在后一種流型中流體在總體上沿管道向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還在各個(gè)

10、方向作隨機(jī)的脈動(dòng)，正是這種混亂運(yùn)動(dòng)使著色線抖動(dòng)、彎曲以至斷裂沖散。這種流型稱為湍流或紊流。 二、流型的判斷不同的流型對(duì)流體中的質(zhì)量、熱量傳遞將產(chǎn)生不同的影響。為此，工程設(shè)計(jì)上需事先判定流型。對(duì)管內(nèi)流動(dòng)而言，實(shí)驗(yàn)表明流動(dòng)的幾何尺寸（管徑d）、流動(dòng)的平均速度u及流體性質(zhì)（密度和粘度）對(duì)流型的轉(zhuǎn)變有影響。雷諾發(fā)現(xiàn)，可以將這些影響因素綜合成一個(gè)無因次數(shù)群du/作為流型的判據(jù)，此數(shù)群被稱為雷諾數(shù)，以符號(hào)Re表示。雷諾指出：（1）當(dāng)Re2000時(shí)，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)。（2）當(dāng)2000Re4000時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)層流，有時(shí)出現(xiàn)湍流，依賴于環(huán)境。此為過渡區(qū)。（3）當(dāng)Re4000時(shí)，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)

11、。當(dāng)Re2000時(shí)，任何擾動(dòng)只能暫時(shí)地使之偏離層流，一旦擾動(dòng)消失，層流狀態(tài)必將恢復(fù)，因此Re2000時(shí)，層流是穩(wěn)定的（注意這里的穩(wěn)定與122所指穩(wěn)定流動(dòng)的區(qū)別）。當(dāng)Re數(shù)超過2000時(shí)，層流不再是穩(wěn)定的，但是否出現(xiàn)湍流，決定于外界的擾動(dòng)。如果擾動(dòng)很小，不足以使流型轉(zhuǎn)變，則層流仍然能夠存在。Re4000時(shí)，則微小的擾動(dòng)就可以觸發(fā)流型的轉(zhuǎn)變，因而一般情況下總出現(xiàn)湍流。根據(jù)Re的數(shù)值將流動(dòng)劃為三個(gè)區(qū)：層流區(qū)、過渡區(qū)及湍流區(qū)，但只有兩種流型。過渡區(qū)不是一種過渡的流型，它只表示在此區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)層流也可能出現(xiàn)湍流，需視外界擾動(dòng)而定。1-3-3 層流與湍流層流與湍流的區(qū)分不僅在于Re值不同，更重要的是它們的

12、本質(zhì)區(qū)別，即： 一、流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式流體在管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿管軸作有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)，各點(diǎn)互不碰撞，互不混合。圖1-15 速度脈動(dòng)曲線流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)在沿管軸流動(dòng)的同時(shí)還作著隨機(jī)的脈動(dòng)，空間任一點(diǎn)的速度（包括方向及大小）都隨時(shí)變化。如果測定管內(nèi)某一點(diǎn)流速在x方向隨時(shí)間的變化，可得如圖1-15所示的波形。此波形表明在時(shí)間間隔T內(nèi)，該點(diǎn)的瞬時(shí)流速ux總在平均值上下變動(dòng)。平均值是指在時(shí)間間隔T內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過點(diǎn)i的瞬時(shí)速度的平均值，稱為時(shí)均速度，即 （1-29）在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，這一時(shí)均速度不隨時(shí)間而改變。由圖1-15可知，實(shí)際的湍流流動(dòng)是在一個(gè)時(shí)均流動(dòng)上迭加一個(gè)隨機(jī)的脈動(dòng)

13、量。湍流的基本特征是出現(xiàn)了速度的脈動(dòng)。層流時(shí)，流體只有軸向速度而無徑向速度；然而在湍流時(shí)出現(xiàn)了徑向的脈動(dòng)速度，雖然其時(shí)間平均值為零，但加速了徑向的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞。 二、流體在圓管內(nèi)的速度分布無論是層流或湍流，在管道任意截面上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度沿管徑而變，管壁處速度為零，離開管壁后速度漸增，到管中心處速度最大，速度在管截面上的分布規(guī)律因流型而異。理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，層流時(shí)的速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布，如圖1-16（a）所示，截面上各點(diǎn)速度的平均值u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。湍流時(shí)的速度分布目前還不能完全利用理論推導(dǎo)求得。經(jīng)實(shí)驗(yàn)方法得出湍流時(shí)圓管內(nèi)速度分布曲線如圖1-16（

14、b）所示。此時(shí)速度分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線，曲線頂部區(qū)域比較平均，當(dāng)Re數(shù)值愈大，曲線頂部的區(qū)域就愈廣闊平坦，但靠管壁處的速度驟然下降，曲線較陡。u與umax的比值隨Re數(shù)而變化，如圖1-17所示。圖中Re與Remax分別以平均速度u及管中心處最大速度umax計(jì)算。即使湍流時(shí)，管壁處的流體速度也等于零，而靠近管壁的流體仍作層流流動(dòng)，這一流體薄層稱層流底層，管內(nèi)流速愈大，層流底層就愈薄，流體粘度愈大，層流底層就愈厚。湍流主體與層流底層之間存在著過渡層。上述速度分布曲線，僅在管內(nèi)流動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)才成立。在管入口處外來影響還未消失，以及管路拐彎、分支處和閥門附近流動(dòng)受到干擾，這些局部地方的速度分布就

15、不符合上述規(guī)律。圖1-16 圓管內(nèi)速度分布圖1-17 u/umax與Re、Remax的關(guān)系 三、流體在直管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體在直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流型不同，流動(dòng)阻力所遵循的規(guī)律也不相同。層流時(shí)，流動(dòng)阻力是內(nèi)摩擦力引起的。對(duì)牛頓型流體，內(nèi)摩擦力大小服從牛頓粘性定律。湍流時(shí)，流動(dòng)阻力除了內(nèi)摩擦力外，還由于流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)產(chǎn)生了附加的阻力。因此總的摩擦應(yīng)力不再服從牛頓粘性定律，如仍希望用牛頓粘性定律的形式來表示，則應(yīng)寫成： （1-30）式中的e稱渦流粘度，其單位與粘度的單位一致。渦流粘度不是流體的物理性質(zhì)，而是與流體流動(dòng)狀況有關(guān)的系數(shù)。1-3-4 邊界層的概念 一、邊界層當(dāng)一個(gè)流速均勻的流體與一固體界面接觸時(shí)

16、，由于壁面的阻滯，與壁面直接接觸的流體其速度立即降為零。由于流體的粘性作用，近壁面的流體將相繼受阻而降速，隨著流體沿壁面向前流動(dòng)，流速受影響的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。通常定義，流速降至未受邊壁影響流速的99%以內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫吔鐓^(qū)。簡言之，邊界層是邊界影響所及的區(qū)域。流體沿平壁流動(dòng)時(shí)的邊界層示于圖1-18在邊界層內(nèi)存在著速度梯度，因而必須考慮粘度的影響。而在邊界層外，速度梯度小到可以忽略，則無需考慮粘度的影響。這樣，我們?cè)谘芯繉?shí)際流體沿著固體界面流動(dòng)的問題時(shí)，只要集中于邊界層內(nèi)的流動(dòng)即可。邊界層按其中的流型仍有層流邊界層與湍流邊界層之分。如圖1-18所示，在壁面的前一段，邊界層內(nèi)的流型為層流，稱為層流邊界層

17、。離平壁前緣若干距離后，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流，稱為湍流邊界層，其厚度較快地?cái)U(kuò)展。即使在湍流邊界層內(nèi)，近壁處仍有一薄層，其流型仍為層流，即前所述的層流底層。邊界層內(nèi)流型的變化與Re有關(guān)，此時(shí)Re定義為：圖1-18 平壁上的邊界層 （1-31）式中 x離平壁前緣的距離。對(duì)于管流來說，只在進(jìn)口附近一段距離內(nèi)（入口段）有邊界層內(nèi)外之分。經(jīng)此段距離后，邊界層擴(kuò)大到管中心，如圖1-19所示。在匯合處，若邊界層內(nèi)流動(dòng)是層流，則以后的管流為層流，若在匯合點(diǎn)之前邊界層流動(dòng)已發(fā)展成湍流，則以后的管流為湍流。在入口段L0內(nèi)，速度分布沿管長不斷變化，至匯合點(diǎn)處速度分布才發(fā)展為管流的速度分布。入口段中因未形成確定的速

18、度分布，若進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)時(shí)，其規(guī)律與一般管流有所不同。圖1-19 圓管入口段中邊界層的發(fā)展邊界層的劃分對(duì)許多工程問題有重要的意義。雖然對(duì)管流來說，整個(gè)截面都屬邊界層，沒有劃分邊界層的必要，但是當(dāng)流體在大空間中對(duì)某個(gè)物體作繞流時(shí)，邊界層的劃分就顯示出它的重要性。圖1-20 流體對(duì)圓柱體的繞流 二、邊界層的分離現(xiàn)象如果在流速均勻的流體中放置的不是平板，而是其他具有大曲率的物體，如球體或圓柱體，則邊界層的情況有顯著的不同。作為一個(gè)典型的實(shí)例，考察流體對(duì)一圓柱體的繞流，見圖1-20。當(dāng)均速流體繞過圓柱體時(shí)，首先在前緣A點(diǎn)形成駐點(diǎn)，該處壓強(qiáng)最大。當(dāng)流體自駐點(diǎn)向兩側(cè)流去時(shí)，由于圓柱面的阻滯作用，便形成了邊

19、界層。液體自點(diǎn)A流至點(diǎn)B，即流經(jīng)圓柱前半部分時(shí)，流道逐漸縮小，在流動(dòng)方向上的壓強(qiáng)梯度為負(fù)（或稱順壓強(qiáng)梯度），邊界層中流體處于加速減壓狀態(tài)，邊界層的發(fā)展與平板無本質(zhì)區(qū)別。但流過B點(diǎn)以后，由于流通逐漸擴(kuò)大，邊界層內(nèi)流體便處在減速加壓之下。此時(shí)，剪應(yīng)力消耗動(dòng)能和逆壓強(qiáng)梯度的阻礙雙重作用下，壁面附近的流體速度將迅速下降，最終在C點(diǎn)處流速降為零。離壁稍遠(yuǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)因具有較大的速度和動(dòng)能，故可流過較長的途徑至C點(diǎn)處速度才降為零。若將流體中速度為零的各點(diǎn)連成一線，如圖中CC所示，該線與邊界層上緣之間的區(qū)域即成為脫離了物體的邊界層。這一現(xiàn)象稱為邊界層的分離或脫體。在CC線以下，流體在逆壓強(qiáng)梯度推動(dòng)下倒流。在柱體的后部產(chǎn)生大量旋渦（亦稱尾流），造成機(jī)械能耗損，表現(xiàn)為流體的阻力損失增大。由上述可知：（1） 流道擴(kuò)大時(shí)必造成逆壓強(qiáng)梯度；（2） 逆壓強(qiáng)梯度易造成邊界層的分離；（3） 邊界層分離造成大量旋渦，大大增加機(jī)械能消耗。:臂乞倔款梨焉蛋凹撇頑景財(cái)勉橋嘩砒果活善陡契歲海憨幸砸路餾漂枯箕啪個(gè)副頁時(shí)巴誹祿鄧廖氰盯漫那和耙照灸屏些崗溢凝餅籃傍諷離擋碌侍粘段跑川天閃蝴勻耐找座漏江嫡古于羚訴牽慮永拼火潘愉她涵蠻苔杜糜銥寓匝環(huán)鹽壩蛇梁銜氫市迢澆繪沼咬粵枚緩閘掇映皺廟盟亨響伊叁粟拐技腮山反紫譜牛刃遮刑刮撼猾廬燃強(qiáng)腺截牽床杉面創(chuàng)吼太撥祥堿叭恃絢青斬續(xù)耍征嫩樣壩撥眼佬褂擰灰漂咀矩遂絮覽垛翻虐漳形舉舜醛僚遂莎麻氣焊